雙曲型偏微分方程與守恆律

對稱雙曲系統(symmetric hyperbolic system)

偏微分方程中某些最深刻的適定性結果,並非來自巧妙的公式,而是來自單一條乾淨的不等式:能量估計。對稱雙曲系統是一種形式,許多物理系統都能被恰好改寫成它,使這套能量方法奏效,從而保證線性初始值問題有唯一一個解,且該解對資料連續依賴。

弗里德里希斯的定義:若一階系統 A_0 U_t + sum_j A_j U_{x_j} = B U + F 的係數矩陣 A_0, A_1, ..., A_n 全為實對稱,且 A_0 為正定,則它是對稱雙曲的。魔法接著只是一行計算。把方程左乘以 U(一個內積)並對空間積分;A_j 的對稱性使空間項積分成一個邊界項,剩下的是 d/dt 的 (1/2) integral U^T A_0 U,受同一能量的常數倍所界定。葛朗沃不等式於是把能量 E(t) 界定在 E(0) 乘以 e^(Ct) 之內。這個界限就是一切:它禁止同一資料產生兩個不同的解,禁止能量在有限時間內爆破,並給出連續依賴——適定性的三根支柱。

它的重要性在於:極大範圍的物理定律——馬克士威方程、線性彈性、線性化的尤拉方程與淺水方程,以及(經對稱化後)更多系統——都是對稱雙曲的,或可藉由左乘一個合適的正定矩陣加以對稱化。這正是這些理論為何在恰當的範數下既具決定性又穩定。告誡在於:這條乾淨的估計是一個「線性」結果:對非線性系統而言它只給出時間局部的存在性,因為能量估計裡的常數本身依賴於解,並可能隨震波形成而爆破。

真空中的馬克士威方程,就場 (E, B) 寫出時,取形式 U_t + sum A_j U_{x_j} = 0,其常數矩陣 A_j 為實對稱,且 A_0 = 單位矩陣。能量 (1/2) integral (|E|^2 + |B|^2) dx 守恆——這正是對稱雙曲的能量。正是這守恆的能量,使真空中光的柯西問題完全適定。

係數矩陣的對稱性給出守恆(或有界)的能量,因而適定。

對稱雙曲是一個充分而極為方便的結構,並非必要——系統可以是雙曲且適定卻不對稱,但可對稱化是通往能量估計最乾淨的途徑。嚴格雙曲性與可對稱化是不同的概念;許多物理系統可對稱化卻非嚴格雙曲。

又称
Friedrichs symmetric hyperbolic systemsymmetrizable hyperbolic system弗里德里希斯對稱雙曲系統可對稱化雙曲系統